CN101369597B - 具有相变化元件及非对称热边界的多级存储单元 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有相变化元件及非对称热边界的多级存储单元，该存储单元具有第一绝热材料与第二绝热材料，该第一绝热材料与第二绝热材料分别具有不同的导热性质，并与相变化材料的第一边界与第二边界具有导热关系。因此，当施加电流以增加存储材料的温度时，热能将以非对称的方式，沿着在电极之间垂直于电场线的方向扩散。

Description

具有相变化元件及非对称热边界的多级存储单元
技术领域
本发明涉及采用相变化存储材料的高密度存储装置，包括利用硫属化物材料以及其它材料，以及制作此种装置的方法。
背景技术
相变化存储器材料，已广泛运用于可擦写光盘片之中。此等材料至少具有两种固态相，例如，包括通常的非晶(generally amorphous)固态相与通常的结晶(crystalline)固态相。可擦写光盘片利用激光脉冲(laser-pulse)以改变相态，同时通过此读取相变化后的材料光学性质。
采用硫属化物或其它相似材料的相变化存储器材料，也可通过对集成电路施以适当强度的电流，来改变相态。通常的非晶态的电阻率高于通常的结晶态；此种电阻差异易于检测，即可代表不同数据内容。该种物质特性引发研究动机，祈利用可控制的电阻材料，制作非易失、并且可随机读写的存储器电路。
非晶态与结晶态间的转变过程，可利用控制施加于相变化材料的热能达成。举例而言，由非晶态转换为结晶态的过程，必须将其加热至相变化存储材料的玻璃转换温度与熔点之间；此一步骤称为『设置』(set)，于相对较低的电流下进行。由结晶态转换为非晶态则称为『复位』(reset)，在熔化相变化材料的过程中，利用相对较高的电流的进行，并随后利用同样低于玻璃转换温度的状态快速降温，以降低晶体成核成长的速度。至此，相变化存储材料经历短时间且高密度的电流脉冲，以熔化或破坏结晶结构，藉以使得部分相变化存储结构，得以在周遭温度中稳定成为非晶态。控制单一相变化存储元件中的结晶态与非晶态材料总数，即可在元件中建立多级单元状态，其中包括在材料主动区域内大致全为非晶态的一复位状态、在材料主动区域内形成一或多个混合结晶态与非晶态的中间状态、以及包含在材料主动区域内大致全为结晶状态的一设置状态。
在读取过程中，相变化材料会被施加读取脉冲，可藉此获悉存储元件的电阻，并藉以了解该相变化存储材料属于设置状态、复位状态、或者中间状态。
发明内容
有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种存储装置，该存储装置包含一多级存储单元，该存储单元包含一存储材料，可利用施加能量改变电性，同时与第一电极和第二电极耦合。第一绝热材料与第二绝热材料与相变化材料的第一边界及第二边界具有导热关系。第一绝热材料与第二绝热材料具有不同的导热率，所以存储材料与第一边界及第二边界邻接的部分，具有不同的温度机制。尤其，存储材料中的热能，在导热率较高的绝热材料一侧，传导速率高于导热率较低的绝热材料一侧。
因此，当施加电流以提高存储材料温度时，存储材料中的热量，会快速地由导热率较高的绝热材料边界扩散，而较缓慢地由导热率较低的绝热材料边界扩散。由此，存储材料中，靠近导热率较高的绝热材料边界处，得以迅速冷却，而靠近导热率较低的绝热材料边界处则较慢冷却。
本发明的另一个目的在于提供一种集成电路，该集成电路包含一存储单元阵列，内含存取电路，可在各存储单元中储存多个位。阵列中的存储单元分别包含一存储材料，可利用施加电流，使其在较低电阻相态与较高电阻之间切换。存储材料分别经由第一接触区域及第二接触区域与第一电极和第二电极耦合，其可在第一电极与第二电极之间的存储材料区域，界定一电场区域。存储材料在第一接触区域与第二接触区域之间具有第一边界与第二边界。第一绝热材料与第二绝热材料和存储材料的第一边界与第二边界具有导热关系，其中该第一绝热材料与该第二绝热材料具有不同的导热率，由此热能可以非对称地经由存储材料的第一边界与第二边界流出电场区域。阵列与一控制器耦合，包含可以施加电流至选定存储单元的电流源，该电流的组态可在存储材料中的电场区域内，造成较低电阻相态与较高电阻相态的组合，该组合由靠近第一边界的较低电阻(其具有较多的低电阻相变化存储材料)至靠近第二边界的较高电阻(其具有较少的低电阻相变化材料)，形成一电阻梯度，以在第一电极与第二电极间的存储单元内，设定一电阻。
在示范装置中，控制器可施加脉冲组态，以在存储单元中引发电流，藉以将存储单元编程为对应于复位状态的特定数值，使存储材料内绝大多数的主动区域形成较高电阻的相态。同时，在各单元中储存至少2位的操作中，控制器的组态可就选定的存储单元，决定至少包含两个位的数据数值；同时可依据预设的数据数值，施加脉冲组态，以建立一梯度，方能在对应于预设数据数值的范围内，决定存储单元的电阻。
在一种面向上，本发明的特征为一存储单元，其包含存储材料，可以利用施加能量转换电性，该存储材料与第一电极和第二电极耦合，而第一与第二绝热材料与存储材料的第一边界与第二边界具有导热关系，该第一绝热材料与第二绝热材料具有不同的导热性质，其中该第一电极与第二电极均与存取电路耦合。
在某些实施例中，该第一与第二电极分别具有一顶部；第一绝热构件位于第一电极与第二电极之间，其包含第一绝热材料；包含该存储材料的桥接薄膜，跨越绝热构件，在第一电极靠近顶部与第二电极靠近顶部的区域，界定出电极间路径；同时位于桥接薄膜之上的第二绝热构件，包含第二绝热材料。第一绝热材料与第二绝热材料具有不同的导热率。包含存储单元与电路的存储装置，可存取存储单元，以进行读取与写入的操作。
在某些实施例中，第一电极具有顶部，而第二电极具有底部，同时存储材料位于第一电极顶部与第二电极底部之间，在第一电极与第二电极之间界定出电极间路径；第一绝热材料与存储材料的第一边界具有导热关系，而第二绝热材料的第二边界也与存储材料具有导热关系。第一绝热材料与第二绝热材料具有不同的导热率。
在其它通常的面向上，本发明的特征为一种制作多级存储单元装置的方法，其包含形成第一电极于衬底之上；沉积第一与第二绝热材料于该第一电极与衬底之上，该第一绝热材料与该第二绝热材料具有不同的导热率，同时沿着接缝而邻接；穿越接缝处的绝热材料，形成引洞，以形成第一绝热材料的第一边界和第二绝热材料的第二边界；沉积相变化材料于引洞中，其与第一电极具有导电关系，而与第一边界及第二边界具有导热关系；以及形成第二电极，其与该相变化材料具有导电关系；同时形成存取电路，其与第一电极和第二电极具有电性接触。
在其它一般面向上，本发明的特征为一种制作多级存储装置的方法，其利用第一绝热介电层，形成分别独立的第一电极与第二电极；形成相变化存储材料桥接，其与第一电极和第二电极具有电性连接，同时与第一绝热介电材料的部分具有导热关系；形成第二绝热材料介电层，其与相变化存储材料桥接具有导热关系，而第一绝热材料及第二绝热材料具有不同的导热率；以及形成存取电路，其与第一电极和第二电极具有电性连接。
附图说明
图1为依据本发明的一种实施例，显示一种存储器单元装置的示意图。
图2A、图2B、图2C、图2D为依据本发明的一种实施例，显示图1所示的存储单元在不同情况下的状态示意图。
图2E、图2F、图2G、图2H分别为建立图2A、图2B、图2C、图2D的各种状态所得利用的理想电压周期示意图。
图3为本发明存储单元装置的各种不同状态的理想电阻图，图2A、图2B、图2C、图2D所示的范例分别对应四个不同数据状态，
图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11为依据本发明的一种实施例，制作一具有相变化『孔洞』的存储单元的各个步骤示意图。
图12为依据本发明的一种实施例，显示具有一『桥接』组态的存储单元装置示意图。
图13、图14、图15、图16、图17为依据本发明的一种实施例，显示制作具有一『桥接』组态的存储单元装置工艺步骤。
图18为依据本发明的一实施例，显示具有『伞状』组态的存储单元装置示意图。
图19为依据本发明的一种实施例，显示一集成电路装置的示意图。
图20为图19中所显示的存储阵列的部分示意图。
【主要元件符号说明】
6：第一边界
8：第二边界
10：存储单元
12、134、164、264：第一电极
13、132：存储材料
14、136、166、266：第二电极
15、17、135、137：电性接点
16、131、161、261：第一绝热材料
18、183、283：第二绝热材料
13A、13B、13C、13D、22、24、26、31、32、33、34、35、36、37、38：存储材料区域
44：电极
46：衬底
56、154、156：介电填充物
66：绝热材料层
73、74：表面部分
76、88：绝热材料部分
89：界面
92：介层孔
94：电极裸露区域
95、97：介层孔内表面
96、98：绝热材料边界
124、237：存取电路
141：介电绝热材料
144、146：空孔
145、147：钨拴塞
165、167：顶部电极
172：桥接
265、267：接触区域
272：存储元件
280、500：电场
281、501、502：箭号
1210：集成电路
1212：存储阵列
1214：字线译码器
1216、1956、1958：字线
1218：位线译码器
1220、1960、1962：位线
1222、1226：总线
1224、1914、1924：方块
1230：其它电路
1234：偏压状态设置器
1236：电流源
1938、1940、1942、1944：存取晶体管
1946：存储单元
1954：源极线
1955：源极线终端
1980、1982：顶部电极
1990、1992：底部电极
R1、R2、R3、R4：电阻值
具体实施方式
以下参照图式与不同实施例，详细说明本发明的内容。图式均为示意图，非等比例缩放，仅用以显示本发明的特征与相关特征及结构。为求清楚呈现，用以说明本发明实施例的各图中，相对应的特征虽可清楚辨别，但并未全部特别重新编号。
参见图1，可见依据本发明的一种实施例所绘的多级存储单元10示意图。该存储单元包含存储材料13。第一绝热材料16与存储材料13的第一边界6具有导热关系，而第二绝热材料18则与存储材料13的第二边界8具有导热关系。第一电极14与存储材料13的边界4具有导电关系，而第二电极12则与存储材料13的边界2具有导电关系。第一电极12与第二电极14与存取电路(未显示于图中)之间具有电性接触(15，17)。
存储单元装置10的实施例包括相变化为基础的存储材料，包括硫属化物为基础的以及其它材料，来作为存储材料13。相变化合金可于一第一结构态与第二结构态之间切换，其中第一结构态是指此材料大体上为非晶固相，而第二结构态是指此材料大体上为结晶固相。这些合金至少为双稳定的(bistable)。此词汇「非晶」是用以指称一相对较无次序的结构，其较之一单晶更无次序性，而带有可检测的特征如比结晶态更高的电阻值。此词汇「结晶」是用以指称一相对较有次序的结构，其较之非晶态更有次序，因此包括有可检测的特征例如比非晶态更低的电阻值。典型地，相变化材料可电切换至完全结晶态与完全非晶态之间所有可检测的不同状态。其它受到非晶态与结晶态的改变而影响的材料特性包括原子次序、自由电子密度、以及活化能。此材料可切换成为不同的固态、或可切换成为由两种以上固态所形成的混合物，提供从非晶态至结晶态之间的灰阶部分。此材料中的电性质也可能随之改变。
相变化合金可利用电脉冲改变相态。就过去的观察，得知时间较短、振幅较大的脉冲，较倾向将相变化材料转为通常的非晶态；而时间长、振幅较低的脉冲，则易将相变化材料转为通常的结晶态。时间短且振幅高的脉冲，能量较高，足以破坏结晶态的键能，同时缩短时间可防止原子重新排列为结晶态。无须大量实验，即可获得适当的脉冲参数，以应用于特定的相变化材料与装置结构。于此揭露者，相变化材料是指GST，但也可采用其它种类的相变化材料。此处揭露一种可作为存储装置的材料为Ge2Sb2Te5。
图2A至图2D显示图1的存储单元四种不同的编程状态。此四图中，绝热材料16的导热率高于绝热材料18的导热率。集成电路装置内含的控制器可将适当的电流脉冲安排施加于存储单元中，以在存储材料中建立对应一特定数据数值的事先决定范围内的一存储材料电阻值。在图2A至图2D显示的状态中，脉冲会在电极12到电极14之间建立大致平行的电场线(会有些许杂散电场)。电流将沿着电场线500行进，同时会提升存储单元的温度。一旦温度高于熔点，材料将会转为液态。若温度以足够的速度降到熔点以下，大部分的材料即会形成非晶固态。然而，若以较慢的速度淬火，部分的材料即会成为结晶态。相类似者，若电流脉冲未能使温度达到熔点，但已经超越相变化温度，部分非晶材料将转换为结晶态。由于存储材料二边界的热量扩散速度不同，存储材料中的温度梯度与电场线方向大略呈现垂直关系。
通过脉冲控制，即可在存储材料中依据上述温度梯度建立电阻梯度(见箭号501)，电阻梯度也与电场线500大致垂直。
由于流经电极的热能不对称，因此可在平行电场线的方向上，见到类似的梯度。该梯度会影响存储材料中主动区域的位置。然而，与电场线垂直的梯度才是本发明聚焦所在。
图2A显示相对具有较低电阻状态的存储单元。利用可将存储单元编程为较低电阻状态的脉冲组态，可将邻接存储材料边界与绝热材料16的存储材料(即区域13A)，大致转换为非晶态。由此即可建立电阻梯度，其在存储单元中穿越电场线。存储材料中，结晶态的电阻相对较低，而电流可轻易穿越，如图2A、图2B、图2C中的双头箭头所示。
利用图2E所示的脉冲安排，可造成图2A显示的状态；该脉冲组态将存储单元内一主动区域的温度升高到熔点之上，然后再缓慢降低温度，使大部分的区域重新结晶。区域22中的存储材料仍大致为结晶态，其透过存储材料的边界与绝热材料18邻接。存储材料的区域31、32透过存储材料边界与电极12、14相邻接，同时大致维持在结晶态。
相类似者，如图2B所示，存储材料的区域24透过存储材料边界与绝热材料18邻接，同时大致维持在结晶态，而存储材料的区域33、34则透过存储材料的边界与电极12、14邻接，并大致维持在结晶态。区域13B仍然大致仍保持为非晶态。图2B显示的状态可利用图2F所显示的脉冲安排达成，其可将存储单元内主动区域的温度升高到熔点之上，随后利用比图2F更快的速率降低温度，即可使第一中间状态再结晶，但其数量少于图2A所示者。
如图2C所示的状态，区域26中的存储材料经由存储材料边界，与绝热材料18邻接，同时大致维持在结晶态，而存储材料的区域35、36则透过存储材料的边界与电极12、14邻接，并大致维持在结晶态。区域13C仍然大致仍保持为非晶态。图2C显示的状态可利用图2G所显示的脉冲安排达成，其可将存储单元内主动区域的温度升高到熔点之上，随后利用比图2F更快的速率降低温度，即可使第二中间体积的材料再结晶，但其数量少于图2B所示者。
如图2D所示的状态，区域37、38中的存储材料经由存储材料边界，与电极12、14邻接，同时大致维持在结晶态，但在此状态下，存储材料的主体为大致非晶态。区域13D仍然大致仍保持为非晶态。图2D显示的状态可利用图2H所显示的脉冲组态达成，其可将存储单元内主动区域的温度升高到熔点之上，随后利用比图2G更快的速率降低温度，即可防止再结晶的发生，或仅会造成极小量的再结晶。
图2A至图2D的状态将沿着大致垂直于电场线的方向，在电极之间具有电阻梯度。由于非晶材料区域的截面区域，会随着状态的不同或改变而有所差异，因此与电场线垂直的电阻梯度，也会随着不同的状态，存储单元的电阻亦同。因此，不同状态下的阈值电压相异。尤其R1＜R2＜R3＜R4，其中R1、R2、R3与R4为图2A、图2B、图2C、与图2D的各种状态下的存储单元电阻值。各个相异的阈值电压代表不同的编程级层，如图3所示。这些级层编码为：级层0＝11(如图2A所示状态)，级层1＝01(如图2B所示状态)，级层2＝10(如图2C所示状态)，级层3＝00(如图2D所示状态)。
此外，也可利用其它安排设定达成特定结果，包含利用在单一编程周期中具有多次脉冲的安排，以及在材料熔点温度以下可以造成不同数量的结晶态的安排，其或许可以适用于一特定需求的应用。
参照图1，可利用如图19与图20所示的存取电路，连接第一电极14与第二电极12，在许多不同的组态之下，来控制存储单元的运作，如此即可使用该存储材料进行编程，使存储材料在两种固态相之间进行可逆地转换。举例而言，利用硫属化物相变化存储材料，存储单元可设定为相对较高或较低的电阻状态；由此，电流路径上特定区域内的存储材料可为非晶态，而在电流路径上的其它存储材料则为结晶态。
依据本发明所制作的存储单元，可具备各种组态变化。举例而言，存储材料可形成于孔洞或通道之中，而该孔洞(pore)或介层孔(via)可位于两块绝热材料的接缝界面处，或沿着界面生成。参见图4至图11，其中揭露制作上述组态的一的一种实施例。举例而言，存储材料可为桥接结构，越过电极间介电质，其中按照上述一种实施例所制作的一组态可参见图13至图17。举例而言，存储单元也可依据此处所揭露的方法，形成『伞状』的组态，其中顶部电极与相变化材料的接触部分，远大于底部电极与相变化材料的接触部分，如图18所示。
图4至图11显示制作将存储材料置于介层孔中的一种存储单元工艺步骤示意图。将适当的电极材料层，沉积于衬底46之上，随后图案化该层材料，即可形成如图4所示的第一电极44。利用溅射或原子层沉积等薄膜沉积方法，可将电极材料层沉积于衬底46之上。适当的电极层可包含两种以上的材料，并依据其对邻接层材料的附着程度，选用性质适用者。举例而言，底部电极可包括在钛薄膜上形成氮化钛薄膜。钛与下方半导体衬底(例如硅化物)的材料具有良好附着性；同时氮化钛与上方GST相变化材料能良好附着。此外，氮化钛也是优良的扩散势垒。底部电极可选用多种材料，例如，包括Ta、TaN、TiAIN、TaAIN；至于底部电极的材料，则可由Ti、W、Mo、Al、Ta、Cu、Pt、Ir、La、Ni、与Ru等元素族与合金中选择搭配，也可加入陶瓷。沉积工艺的条件，必须得以提供电极层材料所需的适当厚度与涵盖范围，同时提供良好的绝热性质。衬底表面的底部电极厚度范围约在200nm至400nm之间。
随后将介电填充物质沉积于图4所示的结构上，同时如图5所示，将之平面化，使介电填充层56围绕电极44。适当的电极填充材料，举例而言包括低介电常数(low-K)的介电材料，如二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、氧化铝、或其它低介电常数的材料。此外，介电填充材料也可包含由Si、Ti、Al、Ta、N、O与C的群组中，所选出的一种或多种材料组合。
在图5所示的结构上，沉积第一绝热材料，即可形成一第一绝热材料层66，如图6所示。利用诸如掩膜与刻蚀等工艺，图案化第一绝热材料层66，可移除电极44上方的部分第一绝热材料，以曝露电极材料44表面的部分73，而另一表面部分74以及与其邻接的介电填充物56，仍为第一绝热材料部分所覆盖，如图6所示。
第二绝热材料层沉积于图7所示的结构之上，覆盖电极44表面的部分73与邻接的介电填充物56；经平面化(例如经过化学机械抛光)后，可形成图8所示的结构。至此阶段，电极44的部分74与邻接的介电物质56，被第一绝热材料部分76所覆盖，而电极44的部分73与邻接的介电物质56，则被第二绝热材料部分88所覆盖。第一与第二绝热材料部分之间的接缝处，则形成接口89，其位置在电极44之上。
随后利用诸如掩膜与刻蚀等工艺，在第一与第二绝热材料之间的接口89之上，形成介层孔92。图9A显示依据图9B中线段9A～9A方向上所绘制的结构上视图；而图9B显示依据图9A中线段9B～9B所绘制的结构剖面图。介层孔内部的一表面97构成绝热材料98的一边界，而介层孔内部的另一表面95则构成绝热材料96的一边界。电极44的一区域94暴露于介层孔92之中。
适当的绝热材料，举例而言包括SiO2与SiN。所选定的第一绝热材料，其导热率高于第二绝热材料。在某些实施例中，第一绝热材料的热传导系数θ1与第二绝热材料的热传导系数θ2的比例范围，落在约0.20至0.66之间。举例而言，第一绝热材料可为选定的SiO2，其θ1的范围约为0.5W/m*K(瓦/米*绝对温度)至约2.5W/m*K，而第二绝热材料可为选定之SiN，其θ2的范围约为9W/m*K至约30W/m*K。其它材料也可作为第一与第二绝热材料。
在其它较佳实施例中，绝热材料的导热率低于非晶态的相变化材料，或就包含GST的相变化材料而言，低于大约0.003J/cm*K*sec。绝热材料的代表包括低介电常数(low-K)材料，包含由Si、C、O、F、与H等元素所选出的一组合。举例而言，可作为绝热材料者包括SiCOH、聚亚酰胺(polyimide)、聚酰胺(polyamide)、以及氟碳聚合物。至于其它可作为绝热材料范例则为氟化SiO2、硅酸盐、芳香醚、聚对二甲苯(parylene)、聚合氟化物、非晶质氟化碳、钻石结构碳、多孔二氧化硅、中孔二氧化硅(mesoporous silica)、多孔硅酸盐、多孔聚亚酰胺、与多孔芳香醚。在其它实施例中，绝热结构包含以气体填充的空孔作为相变化元件边墙的内衬，或者以使之接近相变化元件的一侧。单层结构或多层结构的组合，均可提供绝热功能。
接着将相变化材料沉积至介层孔内，如图10A与图10B的区域103所示。相变化存储材料可为硫属化物材料，表示为GexSbyTez(略为GST)，其中X＝0-5；Y＝0-5；Z＝0-10。举例而言，GST中x∶y∶z＝2∶2∶5。在相变化材料中掺杂物质，可改变其材料性质。可用以作为硫属化物材料掺杂物质的代表为：氮、硅、氧、二氧化硅、氮化硅、铜、银、金、铝、氧化铝、钽、氧化钽、氮化钽、钛、与氧化钛。同时可参见美国专利第6,800,504号与美国专利申请US 2005/0029502号。
硫属化物相变化存储材料可由PVD、溅射、或磁溅射法，采用氩、氮、氦、或其它类似气体作为反应气体，在大约1mtorr至100mtorr的压力范围内，通常以室温进行反应。可采用深宽比1～5的准直仪，以增进填充效能。为增进填充的效能，常施加约10V至约1000V(大概为数十伏特至数百伏特)的DC偏压。另一方面，也可同时结合DC偏压与准直仪的使用。举例而言，可于真空或氮环境中进行后沉积的退火处理，以提升硫属化物材料的结晶状态。退火温度的通常范围为100℃至400℃，退火时间则低于30分钟。此外，也可在相变化存储材料上，采用化学气相沉积法。
硫属化物拴塞的厚度，将依据存储单元结构的厚度设计而改变通常而言，硫属化物拴塞的厚度约大于8nm，即可呈现两个稳定态，展现相变化的特征。沉积于绝热材料上的硫属化物材料，可利用化学机械抛光或其它平面化技术削除，以形成平面结构。
若存储材料采用溅射法沉积，举例而言，其条件可能包含氮气或氩气(或二者混和)；而若采用氩气，标的物可为GeSbTe，若使用氩气/氮气，标的物则为N2-GeSbTe。
此时，可在图10A与图10B的结构上，沉积导电材料可作为顶部电极，例如金属、金属化合物、或者非金属材料，例如铜、铝、钛(Ti)、氮化钛(TiN)或氮氧化钛(TiON)等钛化合物、钽(Ta)、与氮化钽(TaN)等钽化合物、多晶硅、硅化钨(WSix)等钨化合物、以及低导热率电极材料，例如LNO(LaNiO3)与LSMO(LaSrMnO3)；随后，将之图案化，可形成顶部电极112，其与存储材料103具有电性连接。顶部电极112可图案化为岛状，或者线状(带状或段状)。顶部电极112的厚度，举例而言可位于约200埃(Angstrom)至5000埃的范围内，通常约为2000埃。
此时可建立存取电路(如图19与图20所示者)，以连接(如图11之115、117)电极44与顶部电极112。
图12的示意图显示在存储单元中，存储材料越过电极间介电层形成桥接结构。该存储单元包含第一电极134与第二电极136，其是由第一介电绝热材料131所隔绝。电极134、136由接点135、137连接至存取电路。相变化材料132所形成的『桥接』连结第一与第二电极，分别与之具有电性连接，同时与第一介电绝热材料具有导热连接。第二介电导热材料位于相变化材料的桥接132上，其与相变化材料的桥接具有导热关系。
利用上述存储材料形成电极间介电层桥接结构，以制作存储单元的技术，可参见美国专利申请案No.11/155,067号。上述存储单元的形成方法，将利用下列图13至图17说明各步骤的示意图。图13显示一工艺步骤，其在衬底上图案化第一介电绝热材料141。空孔144、146形成第一介电绝热材料141中，钨拴塞145、147可作为控制电路的内连接，同时拴塞145、147的一部份区域裸露于空孔144、146中。图14中的结构，举例而言可利用嵌镶工艺形成。
之后，第一电极材料151可沉积于图14所示的结构上，如图15所示，填入空孔144、146之中而形成154、156。
随后，移除所沉积的电极材料151的一部份表面区域，利用诸如平面化工艺，裸露出位于第一电极主体164(与第二电极主体)166之间的第一绝热材料161，同时有效隔绝第一电极主体164与第二电极主体166以及电极主体164、166的顶面165、167。
此时，存储材料的桥接172形成(例如利用沉积与图案化刻蚀)于图16所示的结构表面上，其中该桥接172与第一电极164及第二电极166具有电性连接，同时与第一介电绝热材料131表面及电极164、166的表面具有导热连接。
由是，第二介电绝热材料183可沉积于图17所示的结构上，其与存储材料172所暴露的表面具有导热连接。
上述存储单元结构(如图17所示)中，一电流路径穿越存取电路接点135与拴塞145到达第一电极164，随后进入存储材料桥接172，再沿着电场线(未显示，其大致于电极间平行前进)穿越桥接172，到达第二电极166，后由拴塞147与接点137到达存取电路。桥接172跨越第一电极164与第二电极166的部分，其与第一介电绝热材料161在接面处具有导热连接，同时其与第二介电绝热材料183也在接面处具有导热连接。如上述，第一绝热材料161与第二绝热材料183具有不同的导热系数；因此随着电流尖端，存储材料接近接口的部分冷却较快，同时该处的绝热材料具有较高的导热率。由此特性，可使电阻梯度沿线(如图17中箭号502所示)大致垂直于第一电极164与第二电极166之间所形成的电场线。
图18为『伞状』存储单元的简化示意图。第一电极264与存取电路124耦合，而第二电极266则与存取电路237耦合。第一电极264形成于存储元件272右方边界的第一绝热材料261与存储元件272左方边界的第二绝热材料283接缝的孔洞中，且与第一绝热材料261共平面。存储元件272包含相变化材料条纹，其与第一电极264具有微小接触区域265，同时与第二电极266具有较大的接触区域267。较小的接触区域264聚集电流与第一电极264与第二电极266之间的电场线280，提高电场密度，因此在接触区域265的小范围主动区域内造成较高的电阻热能。第一绝热材料261位于存储元件272的右方边界，而第二绝热材料283则为于存储元件272的左方边界。第一绝热材料261与第二绝热材料283具有不同的导热系数，造成非对称热传导，其垂直于存储元件272的电场线。因此，可利用脉冲组态引起的电流梯度，编程存储元件272；电流梯度则如前述，沿线分布(如箭号281所示)，大致与电极间的电场线280垂直。
图19为存储阵列的示意图，制作方法如下。如图20所示者，共同源极线1954、字线1956与字线1958大致平行设置于Y方向上。位线1960与1962大致平行设置于X方向上。因此，方块1914中的Y译码器与字线驱动器与字线1956、1958耦合。方块1918中的X译码器与方块1924中的多级感测放大器组合与位线1960、1962耦合。共同源极线1954与存取晶体管1938、1940、1942、与1944的源极终端以及源极线终端1955耦合。存取晶体管1938的栅极与字线1956耦合。存取晶体管1940的栅极与字线1958耦合。存取晶体管1942的栅极与字线1956耦合。存取晶体管1944的栅极与字线1958耦合。存取晶体管1938的漏极与存储单元1946的底部电极构件1990耦合，该存储单元1946同时具有顶部电极1980。该顶部电极构件1980与位线1960耦合。同样地，存取晶体管1940的漏极与存储单元1948的底部电极构件1992耦合，该存储单元1948同时具有顶部电极构件1982。该顶部电极构件1982与位线1960耦合。存取晶体管1942、1944与对应的存储单元1950、1952亦类似地经由底部电极构件1994、1996与顶部电极构件1984、1986与位线1962耦合。于此示意图的组态中，可见共同源极线1954由两列存储单元共享；示意图中的一列，是安排于Y方向。在其它实施例中，可以二极管取代存取晶体管，或者利用其它结构进行控制电流，使选定装置进行数据读写。
图20为依据本发明的一种实施例所为的简化集成电路方块图。集成电路1210包含存储阵列1212，其利用前开相变化存储单元，在一半导体衬底上具有自对准底部电极与自汇聚(self-converged)临界尺寸。字线(列)译码器1214与多字元线1216耦合并具有电性通讯，同时沿存储阵列1212的横列布置。位线(行)译码器与驱动器1218与多字线1220耦合并具有电性通讯，其沿存储阵列1212的纵行布置，以读取或写入数据于存储阵列1212的相变化存储单元中。总线1222将地址提供至字线译码器与驱动器1214，也提供予位线译码器1218。方块1214的感应放大器与数据输入结构(包括读取、设置、与复位的电流源)，经由数据总线1226与位线译码器1218耦合。数据由集成电路1210上的输入/输出端或集成电路1210的其它内外数据来源，经数据输入线1228，输入至方块1224的数据输入结构中。在所示实施例中，其它电路1230也包含于集成电路1210中，举例而言，包括通常用途的处理器或特殊用途的应用电路，或者以模块的组合，提供相变化存储单元阵列所支持的单芯片系统功能。数据经输出线1232，由方块1224中的感应放大器，输出至集成电路1210的输入/输出端，或者其它集成电路1210的外部或内部数据终点。
本实施例包含一控制器，其利用偏压状态设置器1234，控制施加偏压的伏特与电流源1236，诸如字线与位线的读取、编程擦除、擦除验证、与编程验证电压或电流，以及利用存取控工艺序所控制的字线/源极线操作。控制器1234可以习知的特殊用途逻辑电路制成。在其它实施例中，控制器1234包含一通常用途的处理器，其可整合于相同集成电路之上，以执行计算机程序，来控制装置的运作。在又一实施例中，可利用特殊用途的逻辑电路组合与一通常用途处理器，来制作控制器1234。
控制器1234的设置，可编程多级存储单元的阵列1212中，各存储单元的多个位，其详细内容可参见前述说明与图2A至图2H。举例而言，利用复位脉冲将选定存储单元中的主动区域大致转化为非晶态时，可将其编程为数据层次00；利用脉冲或脉冲组合将相对小部分的主动区域转为结晶态时，可将之编程为数据层次01；利用脉冲或脉冲组合将中等数量的主动区域转化为结晶态时，可将其编程为数据层次10；而利用脉冲或脉冲组合将相对较大部分或全部的主动区域转化为结晶态时，则可将之编程为数据层次11。
存储单元装置的实施例包含相变化材料，其更包含以硫属化物与其它材料作为存储材料。硫属化物可能包含氧(O)、硫(S)、硒(Se)、碲(Te)等四种元素，其属于元素周期表第VI族的一部分。硫属化物包含硫族元素的化合物，以及一种正电性较强的元素或化合物基(radical)；硫属化物合金则包含硫族元素与其它元素的组合，例如过渡金属。硫属化物合金通常包含一种以上的元素周期表第IV族元素，例如锗(Ge)和锡(Sn)。通常，硫属化物合金中包含一种以上的锑(Sb)、镓(Ga)、铟(In)、与银(Ag)元素。文献中已有许多种类的相变化存储器材料，例如下列合金：Ga/Sb、In/Sb、In/Se、Sb/Te、Ge/Te、Ge/Sb/Te、In/Sb/Te、Ga/Se/Te、Sn/Sb/Te、In/Sb/Ge、Ag/In/Sb/Te、Ge/Sn/Sb/Te、Ge/Sb/Se/Te、以及Te/Ge/Sb/S。Ge/Sb/Te的合金家族中，许多合金组合均可作为相变化存储器材料，此类组合可特定为TeaGebSb100-(a+b)。已有研究人员指出，效能最佳的合金，其沉积材料中的Te平均浓度均低于70％，通常低于60％，而其范围多为23％至58％之间，最佳浓度又为48％至58％的Te。Ge的浓度则为5％以上，范围约为8％至30％之间，通常低于50％。最佳实施例中，Ge的浓度范围约为8％至40％。此一组成中，最后一项主要组成元素为Sb。上述百分比，是指原子百分比，而总原子百分比100％即为组成元素的总和。(Ovshinsky’112 patent，columns10-11)。另一研究人员所评估的特定合金包含Ge2Sb2Te5、GeSb2Te4、与GeSb4Te7(Noboru Tamada，“Potential of Ge-Sb-Te Phase-ChangeOptical Disks for High-Data-Rate-Recording”，SPIE v.3109，pp.28～37(1997))。就更为普遍的面向，过渡金属，例如铬(Cr)、铁(Fe)、镍(Ni)、铌(Nb)、钯(Pd)、铂(Pt)，与上述元素的合金，均可能与Ge/Sb/Te组成相变化合金，并使其具备程序可编程电阻的性质。可作为存储器材料的特定范例，见于Ovshinsky’112 at column 11～13，此处的所载的范例即为参考上述文献所为的组合。
本发明的说明如上，并附带说明相变化材料。然而，仍有其它可编程材料，可作为存储器材料。就本应用而言，存储器材料是指可施加能量以改变电性(例如电阻)的材料，而此种改变可为阶梯状区间、或为连续变化、也可为两者的组合。其它实施例中，尚可采用他种可编程电阻存储器材料，包括注入N2的GST、GexSby、或其它利用晶相变化决定电阻者；也可采用PrxCayMnO3、PrSrMnO、ZrOx、或其它以电脉冲改变电阻的材料；7，7，8，8-tetracyanoquinodimethane(TCNQ)、methanofullerene 6、6-phenyl C61-butyric acid methyl ester(PCBM)、TCNQ-PCBM、Cu-TCNQ、Ag-TCNQ、C60-TCNQ、TCNQ注入其它金属、或其它具有双重或多种稳定电阻状态，并可由电脉冲控制的高分子材料。其它可编程电阻存储器材料的范例，尚包括GeSbTe、GeSb、NiO、Nb-SrTiO3、Ag-GeTe、PrCaMnO、ZnO、Nb2O5、Cr-SrTiO3。
其它制作方式、材料组成、使用、操作相变化随机存取存储装置的信息，可参见前述美国专利申请案No.11/155,067。
其它实施例则在本申请权利要求书所要求保护的范围中。

Claims (16)

1.一种集成电路存储器，其特征在于，该存储器包含：
多个存储单元所组成的一阵列，包含一存取电路，该阵列中的该些存储单元分别包含：
一存储材料，能施加电流使其在一较低电阻相态与一较高电阻相态之间转换，该存储材料利用一第一接触区域与一第二接触区域，分别与一第一电极和一第二电极耦接，由此在该第一电极与该第二电极之间的该存储材料中，定义一电场区域，而该存储材料在该第一接触区域与该第二接触区域之间，具有一第一边界与一第二边界，该第一边界与该第一电极和第二电极连接，该第二边界与该第一电极和第二电极连接，且其中该第一电极与该第二电极均与该存取电路耦接；以及
一第一绝热材料与一第二绝热材料，其与该存储材料的该第一边界与该第二边界具有导热关系，该第一绝热材料与该第二绝热材料具有不同的导热系数，因此经由该第一边界与该第二边界流出该电场区域的热量非对称。
2.根据权利要求1所述的集成电路存储器，其特征在于，该存储器进一步包含：
耦接至该阵列的一控制器，其中包括施加电压或电流至一选定存储单元的多个电源，该电压的安排或电流的组态能在该存储材料中的该电场区域内，造成该较低电阻相态与该较高电阻相态的一组合，该组合通过自靠近该第一边界的较低电阻相态至靠近该第二边界的较高电阻相态所形成的一电阻梯度，而在该第一电极与该第二电极之间的该存储单元中设置一电阻值。
3.根据权利要求2所述的集成电路存储器，其特征在于，该控制器能够施加一脉冲，以在该存储单元中引发电流来编程该存储单元至对应于一复位状态的一特定数值，导致该存储材料中一主动区域内全部成为该较高电阻相态。
4.根据权利要求2所述的集成电路存储器，其特征在于，该控制器的设定能够就一选定存储单元决定一数据数值，该数据数值包括至少二位；以及能够依据该数据数值施加一脉冲，其能建立一梯度来设定该存储单元的该电阻值于对应该特定数据数值的一电阻范围内。
5.根据权利要求1所述的集成电路存储器，其特征在于，
该第一电极与该第二电极各包含一顶部；
一第一绝热构件位于该第一电极与该第二电极之间，其包含该第一绝热材料；
一桥接薄膜包含该存储材料，其跨越该绝热构件，并在该第一电极与该第二电极之间靠近该第一电极顶部与该第二电极顶部处，界定一电极间路径；
一第二绝热构件位于该桥接薄膜之上，其中包含该第二绝热材料。
6.根据权利要求1所述的集成电路存储器，其特征在于，
该第一电极具有一顶部，同时该第二电极具有一底部，而该存储材料位于该第一电极的顶部与该第二电极的底部之间，在该第一电极与该第二电极之间，界定出一电极间路径；以及
该第一绝热材料与该存储材料的该第一边界具有导热关系，而该第二绝热材料与该存储材料的该第二边界具有导热关系。
7.根据权利要求1所述的集成电路存储器，其特征在于，该第一绝热材料与该第二绝热材料包含分别沿着一接缝邻接分布的多个共平面薄膜，同时该存储单元在沿着该接缝的多个孔洞中，包含该存储材料，同时该存储材料在该共平面薄膜之下与多个底部电极接触。
8.根据权利要求1所述的集成电路存储器，其特征在于，该第一接触区域小于该第二接触区域。
9.根据权利要求1所述的集成电路存储器，其特征在于，该第一绝热材料与该第二绝热材料包含分别沿着一接缝邻接分布的多个共平面薄膜，同时该第一电极在沿着该接缝分布的孔洞中具有多个传导构件，并在该存储材料上的该共平面薄膜上，接触该第一接触区域，其中该第一接触区域小于该第二接触区域；以及
该存储材料包含可编程电阻材料的多个条纹，其在该第一电极之上跨越该接缝。
10.一种制作集成电路存储器的方法，其特征在于，该方法包含：
形成多个电极对的一阵列于一衬底上，各电极对包含一第一电极与一第二电极；
形成多个存储元件于该阵列中的该电极对的该第一电极与该第二电极之间，以提供多个存储单元，其中该存储元件包含一存储材料，其能利用施加电流，在一较低电阻相态与一较高电阻相态之间转换，而该存储材料分别通过一第一接触区域和一第二接触区域与该第一电极和该第二电极耦合，其能在该第一电极与该第二电极之间的该存储材料部分，界定一电场区域，同时该存储材料在该第一接触区域与该第二接触区域之间具有一第一边界与一第二边界，该第一边界与该第一电极和第二电极连接，该第二边界与该第一电极和第二电极连接；以及
形成多个绝热区于该存储材料的该第一边界及该第二边界上，该绝热区包含一第一绝热材料与一第二绝热材料，该第一绝热材料与第二绝热材料与该存储材料的该第一边界和该第二边界具有导热关系，该第一绝热材料与该第二绝热材料具有不同的导热系数，因此经由该第一边界与该第二边界流出该电场区域的热量非对称。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，该方法进一步包含：
提供一电路于该集成电路上，其电流组态为能够施加电流至一选定存储单元上，该电流组态能在该存储材料中的该电场区域内，造成该较低电阻相态与该较高电阻相态的一组合，该组合通过自靠近该第一边界的较低电阻至靠近该第二边界的较高电阻所形成的一电阻梯度，而在该第一电极与该第二电极之间的该存储单元中设置一电阻值。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，该形成多个电极对的一阵列的步骤，包含形成一底部电极作为该第一电极，形成一存储元件在多个存储元件的阵列中的该底部电极上，同时在该存储元件上形成一顶部电极，作为该第二电极。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，该形成电极对的一阵列与该形成存储元件步骤包含：
提供一衬底，其包含多个第一电极所组成的一阵列；
依据一图案形成该第一绝热材料的一第一层，其中该第一层包含一边缘，其覆盖一或多个该阵列中的第一电极；
形成一第二绝热材料薄层，其中该第二绝热材料薄层邻接该第一绝热材料的该第一层，而该第一层位于沿着该边缘的一接缝中；
沿该接缝形成多个孔洞，暴露该阵列中的该底部电极；
以相变化存储材料注入该孔洞，以提供多个存储元件；以及
形成一第二电极阵列在该存储元件之上。
14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，该形成一电极对的阵列的步骤包含：
形成该第一电极与该第二电极于一平面上，其分别具有一顶部；
形成一第一绝热构件于该第一电极和该第二电极之间，该构件包含该第一绝热材料；
形成一桥接薄膜，其包含该存储材料，并跨越该绝热构件，同时在该第一电极与该第二电极之间靠近该第一电极顶部与该第二电极顶部处，界定一电极间路径；
形成一第二绝热构件位于该桥接薄膜之上，其中包含该第二绝热材料。
15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，该第一接触区域小于该第二接触区域。
16.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，该形成电极对的阵列与该形成存储元件的步骤包含：
提供一衬底；
依据一图案形成该第一绝热材料的一第一层，其中该第一层包含一边缘；
形成一第二绝热材料薄层，其中该第二绝热材料薄层邻接该第一绝热材料的该第一层，而该第一层位于沿着该边缘的一接缝中；
沿该接缝形成多个孔洞；
以电极材料注入该孔洞，以在该电极对中提供多个第一电极；
形成多条存储材料条纹，其能在对应的该第一电极上，作为存储元件；
形成多个第二电极于该存储元件上的该电极对中。
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